李 威

（北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司，北京 102205）

如何解決電動振動臺低頻振動問題

李 威

（北京蘇試創(chuàng)博環(huán)境可靠性技術(shù)有限公司，北京 102205）

振動臺是力學(xué)環(huán)境實驗室開展檢測任務(wù)的核心設(shè)備，按照其獲得能量的形式分為電動振動臺、機(jī)械振動臺和液壓振動臺，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已研制出激光振動臺。目前用得較多的是電動振動臺，原因是它的頻率高、波形好、控制方便。主要針對電動振動臺低頻振動出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和討論。

振動；低頻；噪聲；相對位移

引言

產(chǎn)品在運(yùn)輸、貯存和使用過程中，有時會遇到很低的振動頻率，例如車輛上使用的設(shè)備，車輛主要基波頻率可能低到1.5Hz～4Hz；又比如在海運(yùn)、風(fēng)力發(fā)電、艦船等環(huán)境中，起點頻率甚至達(dá)到1Hz；再如地震試驗拍波頻率為1Hz～35Hz等等。然而電動振動臺低頻端一般從5Hz～10Hz開始，雖然隨著技術(shù)的發(fā)展使其低頻端可達(dá)到2Hz～10Hz，可是加速度失真超差很大，達(dá)不到試驗要求，此外電動振動臺在低頻還會受到噪聲干擾導(dǎo)致試驗無法起振或者起振后諧振峰值較多、振動臺出現(xiàn)相對位移、臺體產(chǎn)生共振等多方面的問題，所以如何解決低頻振動問題是實驗室檢測人員必須要重視的。

1 正弦振動在低頻階段的問題

在正弦振動中，產(chǎn)品安裝在平臺實際振動的特點是頻率愈高，加速度愈大，頻率愈低，位移幅值愈大，就對產(chǎn)品的影響而言，低頻主要受位移破壞，高頻主要受加速度破壞。

1.1 噪聲干擾

根據(jù)正弦振動公式：

式中：A-加速度（g），s-位移（單振幅mm），f-頻率（Hz）。

電動振動臺低頻受位移限制，高頻受加速度（推力）限制，水平臺空載調(diào)試曲線見圖1。

一般來說，在低頻階段，由于位移的限制，振動量級有時候會非常小，比如1Hz，振幅為10mm的時候，量級為0.04g，這種情況在海運(yùn)、艦船環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)，例如GJB 4.7-83中掃頻條件為1Hz～10Hz，位移幅值為0.25mm，此時起點1Hz的加速度為0.001g；GJB 150.16中規(guī)定安裝在艦船上設(shè)備的振動量值如表1。

可以計算出起點量級基本上都低于0.05g；IEC 60086-2-6掃頻條件為2Hz～13.2Hz，位移幅值為1mm，此時起點2Hz加速度為0.016g；IEC 61800-5-1中規(guī)定的掃頻條件為10Hz～57Hz：0.057mm（0-p），此時10Hz時的量級為0.0228g。以上掃頻條件的共同點都是起點頻率低、量級小，甚至低于試驗環(huán)境的噪聲量級（0.05g～0.1g），往往造成無法起振。對于初次接觸力學(xué)環(huán)境試驗的人員來說，會從傳感器、線路連接、參數(shù)設(shè)置等多方面進(jìn)行排故，比如將臺面增加控制點，可以適當(dāng)降低控制帶寬或者調(diào)大初始電壓等。這樣有時候能解決問題，但是大多時候，給試驗工作帶來了極大的不便。

解決噪聲干擾問題可以從以下幾個方面考慮：

1）利用電荷放大器

如果振動量級低于0.1g，傳感器采集到的信號就會受到噪聲的干擾而感應(yīng)不到振動量級，噪聲無法起振，此時可以利用電荷放大器調(diào)大傳感器的靈敏度，直到能采集到振動為止（一般至少應(yīng)調(diào)到500pC/g）。

2）選用大靈敏度傳感器

目前，很多控制儀在設(shè)計方面已經(jīng)脫離了電荷放大器，傳感器的靈敏度無法改變，這時候應(yīng)選用大靈敏度的傳感器來進(jìn)行，實驗室至少應(yīng)配備一些靈敏度為1000 pC/g左右的傳感器專門用來開展低頻、小量級振動的試驗項目。

圖1 DC-20000-200水平滑臺空載特性曲線

表1 安裝在艦船上設(shè)備的振動量值

3）減小噪聲量級

在整個電動振動控制閉環(huán)系統(tǒng)中，噪聲來源主要除了實驗室的環(huán)境噪聲，其次就是率放大器加上增益以后產(chǎn)生的噪聲；所以在進(jìn)行低頻、小量級掃頻時最好應(yīng)保證臨近該振動臺的其他設(shè)備別進(jìn)行大量級的隨機(jī)振動試驗，以免噪聲干擾更大；在功放輸出電壓滿足試驗條件的要求下，盡量將增益加到最小，減小噪聲的分貝（有些振動臺增益越大噪聲愈?。?；此外還可以在功率放大器和控制儀之間連接一個隔離變壓器，用來消除功放的噪聲。

4）改變初始頻率

電動振動臺在低頻階段波形失真度大，很難滿足試驗要求，所以有些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范就明確說明如果振動臺下限頻率到達(dá)不了1Hz，只要樣品的固有頻率不低于該振動臺的最低頻率，可以適當(dāng)提高試驗下限頻率，但下限頻率不能低于5Hz。因此如果以上方法均不能解決噪聲干擾問題，在不影響試驗結(jié)果的情況下，可以跟委托方協(xié)商將起點頻率提高至3Hz～4Hz，保證試驗?zāi)茼樌M(jìn)行。除此之外，還可以把上限頻率作為掃頻的起點頻率，逆方向掃頻，雖然上掃和下掃得出的共振頻率有區(qū)別，不過在誤差范圍內(nèi)都是有效的。

1.2 出現(xiàn)相對位移

低頻起振除了噪聲干擾外，另外一大難題就是振動臺會產(chǎn)生相對位移。量級愈大相對位移愈大；樣品愈重，相對位移亦愈大。比如利用正弦拍波模擬地震試驗的時候，起點頻率1Hz時加速度有時會達(dá)到0.1g～0.3g，此時位移幅值達(dá)到25mm～75mm，加上相對位移的存在，要求振動臺的位移幅值必須達(dá)到80mm以上才能滿足試驗要求；又比如某運(yùn)輸條件：2Hz～5.5Hz，位移幅值12.3mm；5.5Hz～200Hz，加速度值1.5g，雖然試驗嚴(yán)酷條件在振動臺額定范圍內(nèi)，但在低頻階段振動臺產(chǎn)生的相對位移就非常明顯，因為相對位移的存在也會導(dǎo)致試驗無法進(jìn)行。尤其在進(jìn)行重負(fù)載大位移試驗時，由于隔振系統(tǒng)的作用，動圈和負(fù)載相對于臺體會出現(xiàn)明顯的相對運(yùn)動，這時最大位移受下式限制：

位移 = 最大位移×(1-運(yùn)動部件質(zhì)量/振動臺重量)×安全系數(shù)

比如相對于DC-20000-200振動臺臺體：

最大位移：51mm

安全系數(shù)：0.9

運(yùn)動部件質(zhì)量（動圈+臺面+樣品）：2000kg

振動臺臺體重量：10000kg

此時位移=51×(1-2000/10000)×0.9=36.7mm

因為相對位移的存在，所以在低頻階段，振動臺的額定位移會大打折扣，而且對設(shè)備的損傷也比較大。因此在大型軍工項目試驗前，首先要估算設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)（頻率范圍、額定承載、額定位移、加速度等等）是否滿足試驗條件的要求，選擇合適的設(shè)備。其次試驗時控制方式宜采用最大值控制。另外在進(jìn)行10Hz以下的振動試驗而且負(fù)載很大時，造成最大位移發(fā)生困難時，必須將減震氣囊的氣充足，必要時可鎖緊隔振機(jī)構(gòu)，使臺體和地基連接起來，防止臺體產(chǎn)生過大位移；還必須要注意的是每隔10～30分鐘要檢查一次臺面中心位置，調(diào)節(jié)空氣閥的空氣量，使臺面始終處于恰當(dāng)位置。

2 隨機(jī)振動在低頻階段的問題

隨機(jī)振動頻率域?qū)挘且粋€連續(xù)的頻譜，同時在所有頻率上對產(chǎn)品進(jìn)行激勵。產(chǎn)品安裝在平臺上進(jìn)行隨機(jī)振動的頻率范圍，典型的低頻通常是取產(chǎn)品最低共振頻率的一半或其安裝平臺產(chǎn)生明顯振動的最低頻率，產(chǎn)品在運(yùn)輸?shù)倪^程中可能會常常會經(jīng)受很低的振動頻率，比如在GJB 4857.23中規(guī)定的振動起點頻率為1Hz，而且總均方根加速度非常??；GJB 150.16、GJB 150.16A中輪式車輛組合起點頻率為5Hz，但是功率譜密度大，一般的電動振動臺很難滿足試驗條件的要求。因此隨機(jī)振動在低頻的振動問題也是我們不能忽視的。

隨機(jī)振動與正弦振動一樣，在低頻受噪聲干擾和位移限制，位移計算公式如下：

式中：s-位移（雙振幅mm），W1-功率譜密度（g2/ Hz），f-頻率（Hz）。

由此可以看出起點在5Hz以下的，出現(xiàn)超位移的情況居多，比如GJB 150.16A組合輪式車振動環(huán)境5Hz時功率譜密度0.2366g2/Hz，此時振幅為23.2mm，但由于臺體有相對運(yùn)動，因此一般振幅為25.5mm的振動臺滿足不了該試驗條件的要求，只有選擇大位移（一般振幅為40mm以上）設(shè)備，如蘇試生產(chǎn)的DL-4000-50電動振動臺位移幅值為50mm就能解決以上問題。

另外雖然隨機(jī)振動本身產(chǎn)生噪聲，但也存在噪聲干擾問題，尤其是起點頻率低或者總均方根加速度小到0.5g以下的情況下，如果試驗環(huán)境噪聲過大，振動就容易受到干擾而無法起振，檢測員在排除故障的時候要充分認(rèn)識到這一點，避免給試驗帶來不必要的麻煩。此時必須要更換大靈敏的傳感器作為控制亦或者停止產(chǎn)生噪聲的試驗項目，保證試驗室環(huán)境滿足試驗的要求。

3 結(jié)束語

電動振動臺標(biāo)定一般從5Hz開始，但是實際過程中常常會遇到低于5Hz以下的振動，頻率低、位移大的實際例子就好像坐電梯一樣，其實受到的應(yīng)力損傷是非常小的，往往可以忽略不記，但是很多時候為了滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，低頻必須參與振動。然而本文提到的低頻干擾問題卻會嚴(yán)重影響試驗的順利，所以本文主要通過工程經(jīng)驗來分析和判斷并提出解決問題的方法（僅供參考），以保證測試數(shù)據(jù)的科學(xué)公正，在此基礎(chǔ)上不斷提高控制技術(shù)能力。

[1]GJB 150A-2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].

[2]GB/T 2423, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗[S].

[3] 季馨,王樹榮.電子設(shè)備振動環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[4]盧兆明.道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境試驗方法和要求[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

李威（1988.6-），男，漢族，湖北荊州，本科，檢測員，質(zhì)量控制，環(huán)境試驗與可靠性試驗。

How to Solve the Low-frequency Vibration Problem of the Electric Vibration Table

LI Wei
（Beijing Sushi Chuangbo Environment Reliability Technical Co., Ltd., Beijing 102205）

Vibration table is the key equipment of mechanical environmental laboratory to carry out the test work. According to gaining energy, the vibration tables are divided into electric vibration table, mechanical vibration table and hydraulic vibration table. With the development of science and technology, the laser vibration table has been developed. At present, the electric vibration table is used most, because of their high frequency, good waveform and easy to control. This paper mainly analyzes and discusses the low-frequency vibration problem of the electric vibration table.

vibration; low-frequency; noise; relative displacement

V19

B

1004-7204（2015）01-0015-03